深层页岩气地质工程一体化体积压裂关键技术及应用

针对深层页岩气埋深大、两向水平应力差大、垂向应力差小、岩石塑性特征强等地质特征,以地质工程一体化为设计理念,建立了包括测井曲线、页岩总有机碳含量、孔隙度、全烃、关键录井元素、矿物组分、过量硅、矿物脆性、岩石力学参数等评价方法,开展沿水平井段的地质工程双甜点研究,实现地质与工程一体化优选甜点段和最优甜点段准确识别,为深层页岩气水平井压裂改造提供依据.然后,基于高导流的立体缝网为体积压裂的目标函数,开展深层页岩气窄压力窗口下的体积压裂注入模式及工艺参数优化研究,包括迂回双暂堵工艺优化,支撑剂在复杂缝网下的动态运移规律与导流能力研究,以及一体化变黏度高降阻滑溜水研发等.研究成果在现场的应用结果表明,上述基于地质工程一体化的体积压裂技术,压后测试产量较邻井能提高30%～50%以上,可大幅度提高深层页岩气的经济开发效果,对今后垂深超过4 500 m的超深层页岩气的经济有效勘探与开发,也同样具有重要的指导和借鉴意义.     

地应力地震预测及其在南川页岩气开发中的应用

页岩气藏具有低孔隙度、低渗透率的特点,大规模开采页岩气需通过水平井压裂技术实现页岩储层的改造。有数据表明:页岩气水平井方位与最大水平主应力近垂直,且水平地应力差异比较小时,有利于压裂形成网状裂缝,提高储层改造效果。针对南川工区建立地应力预测模型,在精细的三维地震解释、三维地震叠前反演的基础上,利用井点数据模拟选取应力计算的区域适应性参数,开展地应力场的三维模拟,预测最大水平主应力方向、最小水平主应力方向以及水平应力差异系数;通过区域应力机制分析以及钻井实测诱导缝解释结果和应用情况对比分析,验证了地应力地震预测结果的可靠性,证实了地应力研究在页岩气开发中的重要作用。     

基于层次分析法的页岩气储层地质工程一体化甜点评价：以昭通页岩气示范区太阳页岩气田海坝地区X井区为例

“甜点”是页岩气储层中相对高产的层位和区域,地质甜点、工程甜点和综合甜点的合理预测及评价,是页岩气规模效益开发的基础之一.针对页岩气储层甜点多参数综合定量评价,引入层次分析法,综合地质与工程要素,基于高分辨率三维地质模型,形成了地质工程一体化页岩气甜点评价的新方法,进行页岩气储层甜点区域的预测.首先,综合前人研究成果,建立了一种页岩气地质甜点、工程甜点和综合甜点评价的指标体系;随后,设计了基于层次分析法的页岩气储层地质工程一体化甜点评价方法的技术路线;最后,采用昭通页岩气田海坝区块X井区实例数据,基于该区域高分辨率三维地质模型,根据形成的甜点评价方法,进行了研究区地质甜点、工程甜点和综合甜点的预测和评价.结果表明,该方法可以综合地质和工程的多种评价指标,实现了昭通页岩气田海坝区块X井区地质甜点、工程甜点和综合甜点的评价,评价的甜点区域主要分布在奥陶系五峰组,志留系龙马溪组一段1亚段1小层、2小层和3小层(L1₁¹, L1₁²,L1₁³),4小层(L1     

潞安矿区煤储层裂隙及其与人工裂缝的关系

为了研究潞安矿区煤储层压裂人工裂缝与天然裂隙的关系,井下实测了矿区煤储层宏观裂隙,扫描电镜观测了煤储层显微裂隙;探讨了矿区含裂缝非均质煤岩破裂规律。对原位煤储层条件下人工裂缝沿天然裂隙扩展的最大水平主应力方向与天然裂隙走向夹角的临界值进行了计算。结果表明:矿区的漳村、司马、屯留、常村和五阳5个区块临界值分别为12.00°、9.22°、9.16°、8.56°和7.42°,当最大水平主应力方向与天然裂隙走向的夹角小于此临界角时,人工裂缝沿天然裂隙扩展,反之沿最大水平主应力方向扩展。据此,探讨了潞安矿区原位煤储层压裂裂缝沿天然裂隙扩展的3种模式。      

煤层顶板分段压裂水平井地质适应性分析与施工参数优化

煤层顶板分段压裂水平井是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术.依托"十三五"国家科技重大专项课题,围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采技术,采用理论分析、数值模拟等手段,对比不同地应力状态下裂缝的穿层扩展形态,研究水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角对裂缝转向扩展的影响,分析多簇射孔条件下裂缝的竞争扩展现象....     

页岩气藏体积压裂有效改造体积计算方法

页岩气藏矿场压裂实践表明,储层有效改造体积（effective stimulated reservoir volume,简称ESRV）是影响页岩气藏体积压裂水平井生产效果的关键因素,ESRV的准确计算对页岩气藏压裂方案评价与体积压裂水平井产量预测具有重要作用.基于页岩储层改造体积（stimulated reservoir volume,简称SRV）多尺度介质气体运移机制,建立了SRV区域正交离散裂缝耦合双重介质基质团块来表征单元体渗流模型（representation elementary volume,简称REV）,并结合北美页岩储层实例研究了次生裂缝间距、宽度等缝网参数对页岩气藏气体运移规律的影响.在此基础上根据SRV区域次生裂缝分布特征,采用分形质量维数定量表征裂缝间距分布规律,结合页岩气藏次生裂缝间距对基质团块内流体动用程度的影响规律,得到了页岩气藏体积压裂ESRV计算方法.结果表明SRV区域次生裂缝间距对基质团块内吸附及自由气影响较大,次生裂缝间距小于0.20 m时可以实现SRV区域基质团块内流体向各方向裂缝的"最短距离"渗流.选取北美典型页岩储层生产井体积压裂数据进行ESRV计算,页岩气藏目标井ESRV占体积压裂SRV的37.78%.因此ESRV受改造区域次裂缝分布规律及SRV有效裂缝间距界限的影响,是储层固有性质及人工压裂因素综合作用的结果.      

松辽盆地陆相页岩油地质工程一体化高效勘查关键技术与工程示范

我国陆相页岩油资源潜力巨大,但页岩储层具有高黏土矿物含量、强非均质性、低地层能量的特点,严重制约着我国陆相页岩油的高效勘查.围绕甜点优选、水平井钻探、体积压裂、试油求产等关键环节,综合利用吉页油1HF井系统取心、测井、录井及分析测试资料,开展地质工程一体化创新攻关.结果表明,松辽盆地青一段页岩可划分为高TOC层理型黏土质页岩和中TOC纹层型长英质页岩两种岩相类型,前者以地质甜点为主,后者以工程甜点为主;建立地质工程一体化双甜点评价标准,提出“钻砂压页”的水平井设计理念,优选出1.94 m厚的双甜点目标靶层,采用三维地球物理-地质工程一体化的超薄目标靶层导向技术,实现超薄目标靶层水平钻进1 252 m,钻遇率100%的技术突破;依据超临界CO2的破岩、溶蚀、驱油、增能4大优势,创新形成超临界CO2+大型水力携砂复合压裂工艺及控压蓄能返排技术,实现了吉页油1HF井陆相页岩地层的大型体积改造,并获得16.4 m3/d高产稳产页岩油突破,形成的地质工程一体化方法、技术、工艺及参数体系,对松辽盆地及同类型的陆相页岩油高效勘探开发具有借鉴意义.     

微地震技术评价中牟区块体积压裂的效果

微地震监测技术是页岩气开采过程中对页岩气储层压裂效果评价和指导压裂过程的重要手段,可通过观察、分析压裂过程中诱发微地震事件,获取压裂裂缝参数、导流能力、裂缝展布发育方向等信息。中牟区块牟页1井具有低孔、低渗储层特征,对含气层段的三层储层,采用大排量水力压裂施工,进行地面微地震监测、井中微破裂成像技术压裂监测及微地震监测;牟页1井监测压裂结果显示为缝长251～496m,缝宽120～252m,改造体积约为237.5×104～387.7×104 m3,方位角64°～80°。压裂实施使储层裂缝开启含气层段得到改造,指导了实时压裂和压裂效果评价。     

基于原位地应力测试及流变模型的深部泥页岩储层地应力状态研究

深部泥页岩储层地应力状态的准确确定是页岩气等非常规能源高效开发的关键。综合基于原位地应力测试获得水平最小主应力,建立基于流变模型的地应力剖面,应用成像测井技术确定水平最大主应力方向等,是准确确定泥页岩储层地应力的有效方法。将该研究思路应用于陕西汉中SZ1井,利用水压致裂原地应力测试方法获得储层水平最小主应力值范围为32~41 MPa;利用偶极声波测井数据获得岩石力学参数,结合地壳应变率和储层埋藏史,建立了SZ1井地应力剖面,结果表明牛蹄塘组1950~2025 m深度范围内水平主应力差介于10~15 MPa,水平最小主应力值范围为28~41 MPa,水平最大主应力值范围为47~49 MPa,预测得到的水平最小主应力值与实测结果具有较好的一致性。原地应力实测及流变模型预测结果揭示SZ1井地应力为正断型(S_v＞S_H＞S_h)或正断型与走滑型相结合的应力状态(S_v≈S_H＞S_h)。水平主应力差随伽玛值的升高而变小,表明地应力剖面与地层岩性具有较好的对应关系。基于成像测井揭示的钻孔诱导张裂隙分布特征,SZ1井水平最大主应力方向约为N74°W,与区域构造应力场方向基本一致。相关结论为准确认识SZ1井目标层地应力状态,以及后期水平井布设及压裂控制等提供了重要依据。      

人工裂缝逼近条件下天然裂缝破坏特征分析

通过水力压裂裂缝的诱导应力场打开远场天然裂缝,可改变储层应力场,易形成压裂主裂缝、分支缝、应力松弛缝相互连通的裂缝网络,从而提高了页岩气储层改造效率,因此在页岩气开采中具有广阔的应用前景。人工裂缝逼近条件下天然裂缝的破坏特征是人工裂缝诱导应力场激活远场天然裂缝的核心问题之一。应用位移间断法(DDM),建立了人工裂缝逼近条件下激活天然裂缝的力学模型。根据摩尔-库仑破坏准则,建立了不同天然裂缝破坏状态的约束条件,形成了天然裂缝破坏特征的计算方法,并通过算例验证其正确性。在此基础上,模拟了人工裂缝逼近条件下天然裂缝张开、滑移、闭合行为,并研究了其影响因素。结果表明,天然裂缝下表面处最大主应力呈双峰型分布,天然裂缝下表面处最大主拉应力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增大。当人工裂缝逼近天然裂缝时,天然裂缝的剪切型破坏长度大于张拉型。天然裂缝破坏长度随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增大而减小,随着缝内净压力的增大而增大。天然裂缝破坏长度随着人工裂缝尖端到天然裂缝的距离的减小而增加。天然裂缝剪切型破坏长度随着摩擦系数及黏聚力的增大而减小。研究结果对页岩气压裂技术具有理论指导意义。     

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

巴喀油田地应力研究与应用

随着对地应力认识的逐步加深，它在油气勘探开发中的作用日益受到重视。文章运用多种方法确定了巴喀油田现代最大主应力的方向，利用水力压裂资料估算了3个方向主应力的大小及分布规律，力图客观真实地反映出巴喀油田现今地应力的状况，并简单阐述了裂缝与古今地应力的关系及在不同开发时期的作用。在此基础上，结合巴喀油田的生产情况，提出了有关井网调整、压裂改造和注水的一些看法。     

南川页岩气地质工程一体化优化中的参数敏感性分析

地质工程一体化综合施策是页岩气降本增效、提高开发效益的重要途径,综合、定量是一体化优化决策研究的重要发展方向.但目前的定量优化更多针对单井进行,常以优化得到的单井最优的裂缝半长/水平井长作为井网部署的依据.在利用运筹学技术构建的单井和区块效益目标函数的基础上,以中国南方海相页岩气为例,对比分析了单井和区块优化结果对主要地质条件和工程参数变化的敏感性.结果表明,尽管随着压裂规模（裂缝半长）的增大,单井和区块的效益都呈现先增后减的趋势,但最优的裂缝半长明显不同.同时,随孔隙度、含气饱和度、压力系数、天然气价格、压裂成本、钻井成本的升高,优化所得的单井和区块的最优裂缝半长变化规律不同.这表明,单井优化的结果不能作为井网部署的依据,区块和单井得到的最优值并不一致,应该以区块地质工程整体一体化优化的结果来布井.这一认识对页岩气及其他非常规油气井网优化部署和效益开发有现实的指导意义.     

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

页岩储层体积压裂裂缝扩展机制研究

页岩储层天然裂缝、水平层理发育,水力压裂过程中可能形成复杂的体积裂缝。针对页岩储层体积裂缝扩展问题,基于流-固耦合基本方程和损伤力学原理,建立了页岩储层水力压裂体积裂缝扩展的三维有限元模型。将数值模型的模拟结果与页岩储层裂缝扩展室内试验结果进行对比,二者吻合较好,从而证明了数值模型的可靠性。通过一系列数值模拟发现：（1）水力压裂过程中水平层理可能张开,形成水平缝,水平与垂直缝相互交错,形成复杂的体积裂缝网络;（2）水平主应力差增大,体积裂缝的分布长度（水平最大主应力方向压裂裂缝的展布距离）增加、分布宽度（水平最小主应力方向压裂裂缝的展布距离）减小,体积裂缝的长宽比增加;（3）压裂施工排量增大,体积裂缝的分布长度减小、宽度增加,压裂裂缝的长宽比降低;（4）天然裂缝的残余抗张强度增大,体积裂缝分布宽度减小、分布长度增加,体积裂缝的长宽比增加。研究成果可以为国内的页岩气的压裂设计和施工提供一定的参考和借鉴。     

龙马溪组页岩三维缝网重构及分形分析

传统上研究含气页岩宏观缝网特征的方法多是基于小样品开展,通过观察小样品的裂缝展布特征来了解页岩的裂缝发育的宏观特性。但是这类方法因尺度过小,缺乏代表性,不能获取连续面上的裂缝特征,难以分析裂缝发育和地应力方向之间的关系。为获取更详细的大尺度含气页岩的宏观裂缝特征,本文从重庆市涪陵地区石柱县采样获取2m×3m×0.7m完整大尺度岩块,并采用有序标号切割来获取30cm3规格岩样,在此基础上提取小岩样的表面裂缝并按照大尺度岩样切割的相对顺序构建三维裂缝网络。分析观测大尺度的三维裂缝网络可以发现,含气页岩的裂缝分布具有明显的规律性:水平主应力方向上的裂缝发育度普遍高于最小水平主应力方向;垂直方向上的裂缝与最小水平主应力的夹角为-62°。分维研究表明所有不同面上的裂缝均符合分维特性,说明小尺度裂缝特征和大尺度裂缝特征具有相似的规律性。此外,研究还表明最大水平主应力上的裂缝密度和分形维数最大,缝网结构最为复杂,最小水平主应力方向缝网结构次之,垂直主应力方向的裂缝结构最为简单;水平应力方向上主要以层理裂缝为主,垂直方向上以剪切缝为主,且与最小水平主应力的夹角为-62°。在掌握宏观裂缝分布特征基础上,研究可为页岩显微观测实验提供相应的理论依据。     

川东北水平井储层井壁稳定性及其对完井方式的影响

酸性气藏水平井完井方式优选与井壁稳定性密切相关,而井壁稳定性则受地应力、岩石力学参数和井眼轨迹等约束。以Drucker-Prager准则为屈服判据,利用等效塑性应变判别井壁稳定性,模拟了酸化前后、地应力衰竭前后和不同生产压差下原地应力对沿不同方向延伸的井眼井壁稳定的影响。结果表明:川东北海相储层段岩石力学强度较高,生产过程中井壁稳定性较好;随着生产压差逐渐升高,井壁岩石的等效塑性应变量逐渐增加,但变形量相对较小;酸化和地层压力衰减后,井壁出砂可能性显著增强。考虑到酸性气田的特点:当井眼轨迹延伸方向与水平主应力方向一致时,采用裸眼完井;当井眼轨迹延伸方向与水平主应力夹角小于、等于30°时,可以采用裸眼完井,但必须严格控制生产压差;夹角大于30°时,采用套管固井射孔完井。研究成果在普光气田6口水平井中得到很好的应用。     

基于诱导应力场的煤层气水平井分段压裂间距优化研究

为了提高水平井分段压裂煤储层改造体积,提高煤层气的采收率,基于水平井分段压裂裂缝诱导应力场,运用数值模拟手段,对裂缝间距进行了优化。结果显示,水平井分段压裂先压裂缝产生的水平诱导应力差随着与其裂缝距离的增加呈先增加后减少的趋势,导致最大水平主应力转向乃至反转。当诱导应力场叠加后的最大水平主应力转向角为5°时对应的位置为最优压裂分段间距,以此布置分段间距,既能保证间距尽可能的小,也能使裂缝正常扩展,形成多个相互平行的有效主裂缝,实现对煤储层的体积切割,提高煤储层的压裂改造增产效果,对于煤层气水平井分段压裂裂缝参数优化具有较好的指导意义。     

鄂尔多斯盆地延长组页岩裂缝特征与地应力研究

鄂尔多斯盆地延长组是我国近些年陆相页岩气的重点勘探区之一。本文从页岩的露头观测、岩石学特征、成像测井分析、地应力特征及可压裂性等方面,研究了鄂尔多斯盆地延长组泥页岩层段的裂缝发育特征,以及地应力对人工压裂诱导缝的影响。基于岩石学分析,延长组长7和长9段的泥页岩脆性矿物平均含量较高,分别为57.2%和44%。根据泥页岩露头观测和成像测井分析,长7段泥页岩发育有北东东向为主的垂直裂缝组,同时可见北北东向和南北向的垂直裂缝组。此外,压裂诱导缝的优势方位和成像测井分析结果表明,现今最大水平主应力方向为70°左右（即北东东向）。裂缝开启性分析表明,北东东向至近东西向裂缝组与现今最大水平地应力方向一致,开启性较好;而北北东裂缝组与现今最大水平地应力交角相对较大,开启性相对较差。因为现今地应力的水平应力比值（σH/σh = 1.54）相对较小,在后期人工压裂中延长组泥页岩中的诱导裂缝更倾向形成复杂的裂缝网格系统,这样会使裂缝与储层之间获得最大的接触,从而更有利于提高产能。     

塔河油田奥陶系储层构造应力场研究

油气储层构造应力场的分布特征,对油气运移、注采井网布置、储层改造等具有重要意义。为此,文章从塔河油田AD13井区的地质构造演化入手,基于油田测井资料,结合弹性力学及有限元理论,建立研究区地应力弹性力学计算模型,利用有限元软件对研究区储层地应力进行模拟研究,并将模拟结果与现场地应力实测值进行对比分析。结果表明,研究区最大水平主应力为102~130 MPa,最小水平主应力为87~110 MPa,均为压应力;研究区东部及南部最大水平主应力方向为北东向,西北部最大水平主应力方向为北东东向,西南部最大水平主应力方向为南东向,地应力大小及方向均与实际结果相符。研究结果可为研究区油气勘探开发工程提供科学依据。